大面陣碲鎘汞紅外焦平面陣列發展現狀及趨勢

史漫麗，凌 龍

(北京空間機電研究所, 北京 100094)

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【光學工程與電子技術】

大面陣碲鎘汞紅外焦平面陣列發展現狀及趨勢

史漫麗，凌 龍

(北京空間機電研究所, 北京 100094)

紅外焦平面組件是空間紅外光學遙感器的核心器件， 隨著空間紅外遙感對探測目標的空間分辨率、時間分辨率、波段特性的要求不斷提高，紅外焦平面探測器將向著擴展波長范圍、減小光敏元尺寸、增加器件規模等方向發展。介紹了國外發達國家在大面陣紅外焦平面陣列技術研究的先進技術，并分析了美國、法國、英國和德國的大面陣紅外焦平面技術特點，提出了紅外探測器未來的發展趨勢。

大面陣;紅外焦平面陣列技術

空間紅外光學遙感技術是當今世界發展迅猛的技術之一[1]?？臻g遙感的進步是增強國家經濟實力、科技實力乃至綜合國力的重要因素[2,4]?？臻g紅外光學遙感器在遙感、氣象、通信、資源普查和高分辨率對地觀測衛星上都有廣泛的應用。另外又由于紅外探測的隱蔽性并且不受環境影響，空間紅外光學遙感技術至今一直是軍事領域的“寵兒”[5]。

紅外焦平面組件是空間紅外光學遙感器的核心器件，在遠距離上可有效提高紅外光學遙感器的探測靈敏度，獲得極高的圖像分辨率，大幅度提高系統的探測能力。 紅外焦平面技術是推進航天遙感器技術發展的瓶頸技術[6,7]。隨著空間遙感技術的發展，航天對探測目標的空間分辨率、時間分辨率、輻射分辨率以及波段特性的要求越來越高[8]。例如，空間分辨率由原來的幾百米提高到10 m、5 m，甚至1 m。光譜分辨率由幾十個納米提高到一兩個納米，等等。這些指標都要求紅外焦平面技術需要擴大探測波長范圍、減小光敏元尺寸、增加探測器規模發展。

大面陣紅外焦平面陣列在遙感、氣象、通信、資源普查和高分辨率對地觀測衛星上具有廣泛的應用[9-11]。西方主要發達國家一直投巨資進行研發，加速發展，已經形成多種產品，應用于衛星預警、衛星遙感、太空天文探測等領域，遙遙領先于我國[12-13]。目前，我國星載紅外探測器設備技術落后，遠遠不能滿足國民經濟日益發展的需要。由于紅外領域的敏感性，國外對我國技術上進行封鎖，國內相關單位從國外進口640×512、1 024×1 024等規格的高性能制冷型凝視紅外焦平面探測器組件幾乎不可能。因此，對紅外焦平面技術進行自主研發，使大面陣紅外焦平面組件應用于衛星系統，是目前亟待解決的問題。

紅外焦平面技術的發展將打破國外發達國家在核心元器件上的技術封鎖[14]，夯實衛星應用產業發展基礎，提升自主衛星研發創新能力，實現我國衛星應用產業自主化、規?；蜕虡I化。

本文簡要介紹了碲鎘汞紅外焦平面陣列的優勢，介紹國外西方國家先進的碲鎘汞紅外焦平面陣列技術，分析了紅外焦平面陣列的發展方向。

1 碲鎘汞紅外焦平面陣列優勢

HgCdTe焦平面陣列是目前所有焦平面陣列中集成度最高，最引人注目的焦平面陣列[15,16]。碲鎘汞制冷型紅外焦平面陣列在空間光學遙感中應用較多，與其他非制冷型紅外焦平面陣列相比，具有很多優勢。碲鎘汞化合物屬于窄禁帶半導體材料，在本征激發下具有高吸收系數和高量子效率，還有高的探測率。通過改變Hg、Cd配比調節響應波段，使得探測器工作在1～20μm紅外光譜區段并獲得最佳性能[17]。同樣的響應波段，工作溫度越高，可工作溫度范圍也越寬[18]。

2 國外大面陣紅外焦平面陣列研制狀況

在美國、法國和英國、德國等發達國家，單色碲鎘汞紅外焦平面技術已經基本成熟，長波碲鎘汞焦平面器件研制水平已達到640×512元的規模，中、短波器件達到2 048×2 048 元的規模。國外進行衛星探測用的最先進的紅外焦平面探測器已經達到1 024×1 024元、2 048×2 048元、4 096×4 096元規模。下面就各國大面陣紅外焦平面陣列研制情況進行介紹。

2.1 美國

美國在紅外焦平面的研究中一直處于領先地位，其憑借雄厚的經濟實力，投入巨資于不同的研究機構進行高端二代(長線列掃描型、大規模凝視型等)或三代(超大規模凝視[19]、雙色/多色、智能型等)探測器方面的研發，令其他國家望塵莫及。

洛克威爾(Rockwell)研究中心研制的短波H2RG的2 048×2 048元碲鎘汞焦平面陣列，像元尺寸為18 μm×18 μm，其CMOS多路傳輸器讀出集成電路(ROIC),其刻度的每一、四象限曝光精度達0.05 μm，晶體管數達1 300萬[20]，預計未來像元尺寸還會進一步縮小。該焦平面陣列可以根據使用需要進行拼接。該中心研制出的截止波長為1.75 μm、2.5 μm、5.3 μm、中心間距為18 μm的4 096×4 096 型短波紅外焦平面探測器，由4個2 048×2 048元探測器拼接而成，成功應用于天文觀測等領域。圖1是美國洛克威爾研究中心的2 048×2 048元碲鎘汞紅外焦平面探測器。

目前，美國洛克威爾研究中心已經研制出H4RG的4 096×4 096元碲鎘汞焦平面陣列探測器，如圖2，像元有兩種尺寸：10 μm×10 μm、15 μm×15 μm，將用于紅外、可見的對地觀測及天文觀測。在快速運行模式下速度可以達到5 MHz。

圖1 美國Rockwell研究中心的2 048×2 048元碲鎘汞紅外焦平面探測器

圖2 美國Rockwell研究中心的4 096×4 096元碲鎘汞紅外焦平面探測器

2.2 法國

法國受國力限制無法效仿美國的發展模式，而是集中全國一切可用人才和資源組建法國紅外探測器(SOFRADIR)公司，專門研發碲鎘汞紅外焦平面，累計投資3億美元[21]，與西方其他國家相比，法國用于紅外焦平面研制的投入最少，但效果最佳。

法國面陣型碲鎘汞紅外焦平面探測器的研發工作始于20世紀90年代初，1/4電視制式的中波320×256元始于20世紀90年代中期，具有全電視制式,20 μm中心間距的中波640×512元大面陣器件于2002年開始交付使用，中心間距為30 μm的短波1 000×256元紅外焦平面探測器已成功應用于空間探測領域。目前，中心間距15 μm的中波1 280×10 24元凝視型紅外焦平面探測器已經提供貨架產品，這是當今最小中心間距的中波碲鎘汞紅外焦平面探測器，支持SXGA制式高分辨率高性能應用。

DAPHNIS-HD MW是法國Sofradir公司一款預研1 280×720元面陣碲鎘汞紅外探測器，還未形成貨架產品。它支持16∶9的高清制式， 可以應用于航空航天、海軍及陸地的各種探測領域[22]。該產品對于法國Sofradir公司來講是一次技術上的創新，它的像元尺寸比以往產品都小，僅有10 μm×10 μm，工作譜段3.4～4.9 μm，工作溫度110 K。該探測器組件將非均勻校正與盲源替換功能增加到電路中，方便用戶對數據進行處理。

圖3是法國SOFRADIR公司研制的碲鎘汞紅外探測器產品，其相應的探測器芯片參數如表1所示。

圖3 法國SOFRADIR公司研制的探測器組件

指標名稱探測器芯片名稱DAPHNIS?HDMWJUPITER?MW探測器光敏元1280×7201280×1024像元尺寸10μm×10μm15μm×15μm響應譜段3．4～4．9μm3．7～4．8μm信號輸出抽頭44或8盲源率<0．3%<0．5%像元讀出速率8MHz20MHz幀頻100Hz120Hz(1280×1024，8抽頭，20MHz)NETD20mK(293K，50%wellfill，100Hz)<18mK

2.3 英國

英國Selex公司已研制出了中波1 024×768元碲鎘汞焦平面陣列組件，現已形成貨架產品，其主要性能為：光敏元中心間距16 μm×16 μm，噪聲等效溫差17 mK，工作波段3～5 μm，盲元率<0.02%。

英國SELEX公司現已研制出了EAGLE型長波640×512元碲鎘汞焦平面陣列組件，現已形成貨架產品，其主要性能為：光敏元中心間距24 μm×24 μm，噪聲等效溫差 24 mK，工作波段8～10 μm，盲元率<1%，響應率非均勻性<10%，組件工作溫度-45℃+70℃，適配斯特林制冷機。如圖4所示。

以上探測器相應指標見表2所示。

圖4 英國SELEX公司的1 024×768中波碲鎘汞焦平面組件

探測器相關參數指標相應參數相應型號MERLINMWIREAGLELWIR探測器光敏元1024×768640×512像元尺寸16μm×16μm24μm×24μm響應譜段3～5μm8～10μm信號輸出抽84像元讀出速率10MHz10MHzNETD17mK24mK工作溫度80～110K<110K

2.4 德國

德國AIM公司在部分引進法國技術的基礎上，也大力發展大規模凝視型碲鎘汞紅外探測器，目前所研發的中波1 296×736規模的大面陣中波紅外焦平面探測器組件已達到較高水平，并開始進行軍事裝備應用；AIM公司生產的中長波HiPIR-640-MCT 640×512元碲鎘汞焦平面陣列組件(如圖5(上))主要性能為：光敏元中心間距15 μm×15 μm，工作波段3.4～5.2 μm，7.6～9.0 μm，中波噪聲等效溫差17 mK，長波噪聲等效溫差30 mK，動態范圍不小于800 dB,有效像元率>99.8%。

另外，短波ActlR-1024-MCT 1 024×256元碲鎘汞焦平面陣列組件(如圖5(下))主要性能為：光敏元中心間距24 μm×32 μm，工作波段0.9～2.5 μm，工作溫度：150 K,滿阱電子數：低增益檔1.2 Me-,高增益檔0.3Me-。

圖5 德國AIM公司的640×512中長波探測器組件(上)及1 024×256元短波焦平面陣列組件(下)

3 國內大面陣紅外焦平面陣列研制狀況

我國在碲鎘汞紅外焦平面的研制中起步較晚，還處于相當落后的狀態[23]。目前，我國裝備的紅外探測器主要是第一代的光導型器件居多[24-25]。近年來在國家的大力支持下，在碲鎘汞紅外焦平面技術也取得了相當大的進展，相繼在長波4×288、中波320×256碲鎘汞紅外焦平面器件技術上取得了突破，現已進入組件工程化和裝備應用階段，開始應用于紅外成像系統，替代進口產品。

目前，國家在紅外焦平面探測器組件的研制中特別安排了相應的研制條件保障建設項目，保障二代紅外焦平面組件研制所需要的工藝和條件，進而保障探測器器件工藝的大面積、高均勻性、高可靠性的需求。國內從事大面陣碲鎘汞紅外焦平面探測器研制的單位為：上海技術物理研究所、昆明物理研究所、華北光電研究所。目前，國內中波320×256碲鎘汞紅外焦平面器件技術水平已經相當成熟，響應譜段為3.4～4.9 μm，焦平面工作溫度80K。已經在某試驗衛星上搭載，采集圖像數據良好。國內一些科研機構已經研制出1 024×1 024碲鎘汞紅外焦平面探測器組件，并通過了相應的環境適應性試驗，已經完成工程樣機的研制，有望應用于軍事偵察等項目中。但在2 048×2 048及更大面陣碲鎘汞紅外探測器組件研制方面，尚屬空白。

國內探測器研制水平同國外發達國家相比還有很大的差距。目前，我國航天領域急需大規模紅外探測器組件，提高星載紅外探測水平，因此，必須加緊研制，使超大面陣凝視碲鎘汞紅外焦平面組件應用于衛星系統，讓我國的空間技術早日達到世界先進技術水平。

4 紅外焦平面陣列技術發展趨勢

4.1 超大陣列集成規模

超大規模微電子集成電路制造技術是實現紅外焦平面陣列技術發展的關鍵技術之一?？臻g光學遙感對系統成像的分辨率和目標識別能力的要求越來越高，使得提高系統焦平面紅外探測像元的集成度成為研究的必然趨勢。西方各國也正向著大面陣集成規模努力。

4.2 超長波探測譜段

近年來，隨著通信衛星、遙感衛星商業化發展，截止波長大于12.5 μm的紅外探測器也成為研發的對象。長波紅外在對地表和云端溫度觀測方面得到了較好的應用，成為高端對地觀測的重要探測譜段。未來，截止波長大于12.5 μm的碲鎘汞凝視焦平面探測器將在國防和空間科學領域中發揮重大作用[4]。隨著遙感衛星商業化的發展，長波、甚長波探測器將是未來發展的趨勢。

4.3 超小像元尺寸

碲鎘汞紅外焦平面陣列向超大面陣高密度陣列集成，縮小像元尺寸是必須的。大型或特大型高密度集成，尤其是100萬像元以上的探測器像元集成焦平面陣列要求高精度的超大規模集成電路加工技術。焦平面陣列技術的發展在很大程度上取決于超大規模集成電路的進展[5]。美國、法國的紅外探測器陣列的最小像元已經達到了10 μm×10 μm的水平。未來的探測器像元將會向著更小的水平發展。

5 結束語

21世紀，紅外焦平面陣列技術已經取得了很大的成就。根據紅外焦平面陣列在軍事、民事等方面的要求，未來紅外焦平面陣列將向著高密度、小像元、大芯片尺寸、多色工作、結構上為單片或混合集成(甚至為三維)、高工作溫度、低功耗、小型輕量化且成本低的方向發展。

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(責任編輯 楊繼森)

Status and Development Trends of the HgCdTe Large Infrared Focal Array Technology

SHI Man-li， LING Long

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)

Large Infrared Focal Array is the important module on space infrared remote sensor. As the space remote sensing highly require to detecting targets’ spatial resolution, temporal resolution, the band characteristic, infrared detectors need to extend the wavelength range, reduce the element size, increase the divice scale. This paper introduced the oversea advanced large infrared focal array technology in developed country, analyzs the product’s characteristic and system parameter. This paper analyzs the parameters of large infrared focal array, such as the USA, France, England and Germany. This paper indicated infrared focal array develop current.

large focal array; infrared focal array

2017-02-10；

2017-03-15

史漫麗(1985—)，女，碩士，工程師， 主要從事紅外遙感器電子學總體設計研究。

10.11809/scbgxb2017.06.033

format:SHI Man-li，LING Long.Status and Development Trends of the HgCdTe Large Infrared Focal Array Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):151-155.

TN215

A

2096-2304(2017)06-0151-05

本文引用格式：史漫麗，凌龍.大面陣碲鎘汞紅外焦平面陣列發展現狀及趨勢[J].兵器裝備工程學報，2017(6):151-155.